摘要：利用Cyclone II系列FPGA構建了一種用于SD卡讀寫的SPI控制器，并在其上實現(xiàn)了一個基于Nios II軟核處理器的嵌入式文件系統(tǒng)。此文件系統(tǒng)是通過在Nios II EDS開發(fā)平臺上移植znFAT32文件系統(tǒng)實現(xiàn)的。
關鍵詞：Cyclone II；FPGA；Nios II；SD卡；znFAT32文件系統(tǒng)

引言
    在嵌入式系統(tǒng)或移動設備上使用SD卡，接口的構建和文件系統(tǒng)實現(xiàn)是必須解決的問題。本文探討在CycloneII平臺為基礎的嵌入式系統(tǒng)上，實現(xiàn)SD卡接口和文件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
    基于FPGA IP軟核處理器的嵌入式系統(tǒng)，因其集成度高、可靈活配置和性價比方面的優(yōu)勢，已經逐漸逼近甚至趕超采用專用集成電路(ASIC)的設計方案。
    利用Nios II可定制周邊設備的特點，在FPGA中，通過DHL編程構造出SD卡需要的SPI接口和其他控制信號的方式。在此基礎上，在Nios II處理器上實現(xiàn)了一個靈活的文件系統(tǒng)。
    基于FPGA和Nios II軟核構建SOPC嵌入式文件系統(tǒng)，本文所做的工作包括：Nios II處理器IP軟核的最小SOPC系統(tǒng)的構建，SD卡的底層扇區(qū)讀寫驅動程序的編寫方式，znFAT32文件系統(tǒng)的移植，以及對SD卡文件操作的實現(xiàn)等。

1 基于Nios II軟核的SOPC系統(tǒng)構建
1．1 SOPC系統(tǒng)的結構
    如圖1所示，基于NiosII的SOPC系統(tǒng)包括如下部分：

    ①系統(tǒng)核心模塊：Nios II處理器。
    ②處理器外圍支持電路：時鐘單元以及存儲器單元SDRAM控制器(包括存儲代碼的ROM與存儲變量的RAM)部分。
    ③程序下載調試模塊：JTAG接口控制器和異步通信接口(UART用于打印調試信息)。
    ④片上系統(tǒng)的內部外設模塊：諸如定時器、UART、SPI、GPIO等，這部分總的功能電路可根據(jù)需要配置，在本例的實驗驗證中，主要用到SD卡的接口是SPI。
    ⑤EPCS控制器：由于FPGA是基于RAM的結構框架，掉電后代碼會丟失。所以FPGA需要配置一個ROM在上電后將代碼加載到RAM中運行。在SOPC系統(tǒng)中，EPCS控制器有兩個作用，一是用來幫助EDS工具將軟件程序下載到EPCS芯片中去，二是在FPGA配置完成后引導EPCS芯片中的程序加載到SDRAM中去運行。
1．2 Cyclone II構建SOPC系統(tǒng)的過程
    Altera公司為在其生產的FPGA上構建SOPC，不僅提供了各種使用的IP核模塊，還提供了極為友好的集成開發(fā)環(huán)境Quartus II。在Quartus II中，有一個工具SOPCBuilder，可以幫助用戶通過添加和配置(給出參數(shù))IP核的方式，自動構建Verilog HDL語言硬件代碼。
    在Quartus II中，構建SOPC系統(tǒng)的流程如圖2所示。

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    將需要的IP核模塊添加完成后，下一步是用Verilog HDL語言編寫頂層文件，對定制的SOPC進行例化處理(模塊之間的連接關系定義，I／O引腳的配置)，編譯頂層文件和模塊IP核，才能生成在FPGA上運行的片上系統(tǒng)。
    在添加IP核后，SOPCBuilder可生成資源列表，本文構建的系統(tǒng)列表如圖3所示。

    在實例中使用了Nios II模塊、時鐘模塊、定時器、SDRAM模塊、EPCS模塊、UART模塊和SPI共計7個模塊。
    SOPC系統(tǒng)構建完成后，模塊之間信號傳遞的時序并未確定。接下來的時序設計是SOPC能否正常運行的關鍵。在片上系統(tǒng)生成后，首先要對系統(tǒng)進行時序分析，以便使系統(tǒng)的時序符合設計邏輯的要求，并保證系統(tǒng)的正常工作，必要時要對系統(tǒng)的時序進行適當?shù)募s束。這一工作
可利用Quartus II軟件中內嵌的TimeQuest完成，也可以使用第三方提供的時序分析軟件，如PrimeTime軟件等來實現(xiàn)。
    本文采用Altera公司提供的TimeQuest來進行時序約束。經過時序約束后，對工程再編譯，可產生時序報告。通過分析時序約束報告，可對約束適當修改，這個過程可反復進行，直到滿足時序要求為止。

2 SD卡接口協(xié)議分析與驅動程序設計
2．1 SD卡通信接口協(xié)議分析
    SD卡一般定義了SD和SPI兩種可選的總線操作方式，本文采用SPI方式與SD卡接口，可以直接利用Quartus II中提供的SPI控制器IP核。S PI協(xié)議是面向位傳輸?shù)耐酱型ㄐ艆f(xié)議。在SPI模式下，SD卡可以支持單塊與多塊的讀寫操作。
    SOPC上的SPI控制器與SD卡之間的讀寫操作過程應符合SD卡的通信協(xié)議，其讀寫交互過程如圖4所示。

    從圖4中可以看出，任何操作都是由SPI控制器的SD寫命令開始，SD卡在接收到一個合法命令后，將給予應答來響應，接下來便是數(shù)據(jù)塊的讀或寫操作。
2．2 SD卡驅動層程序的編寫
    Nios II EDS是Altera公司為其Nios II處理器開發(fā)的一款C／C++語言編程軟件，其軟件架構是基于HAL(Hardware Abstraction Layer)之上的，Nios II EDS為Nios開發(fā)者提供了編程接口、底層設備驅動、HAL API，以及C標準庫等資源。更重要的是，HAL系統(tǒng)庫為Nios II軟件設計人員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動接口，從而大大簡化了應用程序的開發(fā)。此外，HAL系統(tǒng)庫還為應用程序與底層硬件驅動之間劃分了一條清晰的界線，從而大大提高了應用程序的可復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響。
    片上系統(tǒng)的SPI控制器硬件邏輯，是由SOPC Builder工具將一個SPI主控器軟核封裝到系統(tǒng)中的，此SPI控制器與Nios II軟核以Avalon總線相連接。SD卡的設備驅動層分為4層，包括硬件抽象層、命令層、CRC校驗層與操作函接口層，其結構框圖如圖5所示。

    硬件抽象層主要實現(xiàn)Nios II處理器對SPI控制器相應的功能寄存器的操作。
    命令層定義了對SD卡各種操作的交互方法，包括命令碼與應答碼的定義。
    CRC校驗層主要完成校驗工作，對于命令與數(shù)據(jù)采取不同的校驗方式。命令用CRC7校驗，數(shù)據(jù)用CRC16校驗。
    操作函數(shù)接口層的作用是向znFAT32文件系統(tǒng)提供SD卡的所有操作，這其中包括了SD卡的初始化、扇區(qū)讀寫等函數(shù)接口(這是文件系統(tǒng)對SD卡進行文件操作所必需的)，以供znFAT32文件系統(tǒng)調用。這里利用Nios IIEDS集成開發(fā)環(huán)境編寫的驅動實現(xiàn)SD對卡的塊讀寫(以扇區(qū)為基本單位進行讀寫操作)，為SD卡掛載文件系統(tǒng)提供API函數(shù)。
    每個層的接口函數(shù)如下：
   
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3 znFAT32文件系統(tǒng)的嵌入和SD卡的掛載
3．1 znFAT32文件系統(tǒng)概述
    znFAT32是于振南為小型嵌入式設備完全獨立編寫，且開放源代碼的FAT32文件系統(tǒng)解決方案。znFAT32能夠支持眾多的存儲設備(SD卡、CF卡、Flash、U盤等)，支持多個存儲器共同工作，可以支持同時訪問多個存儲器對文件的操作。對硬件資源要求低，能夠輕松地移植到51單片機、AVR、ARM、DSP、Nios II等處理器上，占用資源極少(僅占用800字節(jié)左右的RAM)，非常適合嵌入式開發(fā)中文件系統(tǒng)的嵌入。其代碼完全由C語言編寫，能夠輕松閱讀，移植方便。其代碼結構如圖6所示。

    由圖6可知該文件系統(tǒng)包含兩層。
    文件系統(tǒng)代碼層——主要提供對存儲設備進行操作的各種函數(shù)。
    存儲設備接口層——主要是為了掛載不同的存儲設備。
3．2 文件系統(tǒng)SD卡的掛載
    znFAT32文件系統(tǒng)掛載需要SD卡驅動層提供的扇區(qū)讀寫函數(shù)。將編寫的扇區(qū)讀寫函數(shù)SD_Read_Sector、SD_Write_Sector取代文件系統(tǒng)中的FAT32_ReadSector與FAT32_WriterSector兩個函數(shù)即可。根據(jù)需要的處理器編寫SD卡驅動程序十分重要，只有保證驅動程序的正確性，才能進行文件系統(tǒng)的正確掛接，才能在掛接完成后對SD卡進行文件操作。
    znFAT32文件系統(tǒng)的掛接需要對znFAT32文件系統(tǒng)提供的用于標定存儲設備的全局變量Dev_No設備號進行處理，znFAT32文件系統(tǒng)給我們提供的存儲設備宏定義如下：
   
    對不同設備進行文件操作，需要通過設備號來選擇不同的設備驅動函數(shù)。對SD卡操作需將Dev_NO定義為SDCARD。

4 文件系統(tǒng)在Nios II中的應用實例
    完成SOPC系統(tǒng)的創(chuàng)建后，在生成的Nios II系統(tǒng)上通過Nios II EDS編程，便可將SD卡與文件系統(tǒng)掛接。
4．1 znFAT32文件系統(tǒng)的使用
    znFAT32文件系統(tǒng)為用戶提供的對文件的基本操作函數(shù)讓我們能夠輕松地對文件進行操作。下面列舉了幾個基本函數(shù)：
   
    通過上面的函數(shù)，可以完成對SD卡的文件讀寫、刪除、數(shù)據(jù)添加、目錄創(chuàng)建、文件拷貝、文件重命名等操作。
4．2 SOPC系統(tǒng)對SD卡文件讀寫操作的驗證
    為了驗證上述系統(tǒng)能否正常實現(xiàn)SD卡讀寫，筆者選用了4 GB容量的金士頓SDHC卡，進行了文件讀寫實驗。圖7為Nios II EDS給出的Deb ug信息窗口。信息顯示了在構建的系統(tǒng)上SD卡的初始化(實現(xiàn)文件系統(tǒng)的掛接)，接著讀取SD卡的存儲容量、扇區(qū)大小、每簇扇區(qū)數(shù)，并在根目錄下面打開名為TEST．TXT的文件，并對該文件的信息進行讀取。在一級子目錄下面，同樣建立一個TEST．TXT的文件，并對文件信息進行讀取。

    由運行結果可知，初始化成功并識別此SD卡為SDHC卡，容量為964 256(總簇數(shù))×8(每簇扇區(qū)數(shù))×512(每扇區(qū)字節(jié)數(shù))≈3 968 860 160。根目錄下的TEXT．TXT文件被打開，打開文件成功后在DIR1子目錄下面創(chuàng)建TEST．TXT。由主函數(shù)創(chuàng)建的文件日期在TimeCreat[6]={12，1，4，17，40，28)中存放，文件成功后讀取創(chuàng)建的新文件的詳細信息。
    為了進一步驗證本系統(tǒng)對SD卡的寫入操作，筆者將此SD卡通過讀卡器與PC機連接，在PC機的文件系統(tǒng)下，顯示了相同的結果。

結語
    本文通過在CycloneⅡ系列FPGA上構建SOPC系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上基于NiosⅡ處理器構建了SD卡文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SPI接口方式與SD卡連接，文件系統(tǒng)是面向嵌入式系統(tǒng)的緊湊型開放源碼的系統(tǒng)。經過對SD卡的操作驗證，證明本文提供的方案具有設計靈活、集成度高、通用性強、移植性好等諸多優(yōu)點。在線陣CCD數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)以及數(shù)控貼片控制系統(tǒng)上得到了很好的應用。